Kinematica en Ground Reaction Force Vaststelling: een demonstratie kwantificeren Locomotorische Vaardigheden van de Young Adult, van middelbare leeftijd, en geriatrische ratten

1. Voorwaarden voor een Biomechanische Locomotion Analyses Voorafgaand aan boord gaan bij het kopen van dure bewegingsapparaat analyse apparatuur, en planning experimenten waar de kinematica en / of de kinetische motorische beoordeling zal worden uitgevoerd, is het noodzakelijk dat de onderzoeker bekend te zijn met de technische en praktische aspecten van de biomechanische analyses, sensomotorische gedrag, operante conditionering van dieren , en behandeling / opslag / beheer van grote hoeveelheden digitale data. Hoewel deze pre-requisites ligt voor de hand voor velen, het is pas na inschepen op dit soort experimenten waarbij cursisten realiseren van de technische en praktische complexiteit van het uitvoeren van relatief gedetailleerde analyse bewegingsapparaat. De auteurs bevelen dat onderzoekers zich inschrijven voor een cursus omgaan met inleidende biomechanica, bekend zijn met of huur iemand die vertrouwd is met een programmeertaal die nodig zijn voor data management, en van even groot belang, besteden veel tijd in interactie, behandeling, en het werken met proefdieren. Voor het begrip van motoriek analyse en sensomotorische gedrag analyse in de neurowetenschappen, zijn onderzoekers genoemd aantal belangrijke referenties (zie 1, 4-7). 2. Kinematische en Kinetic testapparatuur Een kinematische en kinetische testapparatuur, handig voor het verzamelen van bilaterale gegevens, bestaat uit de volgende onderdelen (zie "Tabel van specifieke reagentia en apparatuur" voor meer details): Rustig en voldoende grote kamer (niet per se geluiddicht, hoewel gelegen in een gebied met weinig verkeer) Radio op de achtergrond "ruis" te leveren aan storende geluiden beperken van buiten de ruimte aan de dieren Helder plexiglas, ingesloten, platte ondergrond start-en landingsbaan (180 cm lang X 20 cm breed X 60 cm hoog) met een vierkant gat (11 cm X 11 cm), gelegen in het centrum van de start-en landingsbaan op gelijke afstand van beide uiteinden Stuk plexi-glas (10,5 cm x 10,5 cm) Dubbelzijdig klevende plakband 3M reflecterende kleefband voor de huid markers Perforator voor het creëren van de huid markers Isofluorane anesthesieapparaat die nodig is voor verlamming dieren voor het scheren voorafgaand aan de plaatsing van de huid markers Cheerios voor het stimuleren van beweging van het dier over de lengte van de start-en landingsbaan Amti HE6X6 forceplate Vicon Motus op maat gemaakt systeem (software, computer, etc) 4 video's (minstens 60 Hz sampling) en statieven met de juiste connector kabels 4 camera gemonteerde halogeenlampen zorgt voor een optimale verlichting voor verlichting van het dier onderwerp en de reflecterende huid markers Juiste maat kalibratie frame of het volume nodig voor Vicon Motus systeem x, y, z posities kalibreren in zinvolle afstandsmaten 3. Animal Training Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens, moet elk dier worden opgeleid om een ​​flat-oppervlak, ingesloten start-en landingsbaan oversteken. Na ontvangst van ratten van een geschikt dier leverancier, moeten de dieren worden gewend aan hun nieuwe huis voor 1 week. Gedurende deze tijd acclimatisering, zijn verschillende Cheerios dagelijks geplaatst in de kooi van de rat. Dieren zijn voedsel beperkt tot het onderhoud ervan energie-eisen om overgewicht te voorkomen en de motivatie om deze taak uit te voeren te garanderen. Daarna wordt elk dier behandeld door de experimentator gedurende 10-15 minuten per dag gedurende 1 week. Gedurende deze zelfde periode, wordt elk dier geplaatst in de start-en landingsbaan met Cheerios gelegen aan beide uiteinden. Zodra het dier wordt vertrouwd zijn met hun omgeving, zullen ze beginnen met het eten van de Cheerios. Zodra het dier is comfortabel en het eten Cheerios binnen de start-en landingsbaan, de onderzoeker moet dan operantly conditie van het dier aan de lengte van de baan lopen voor een levensmiddel beloning. Dit wordt bereikt door gooien ¼ Cheerio naar de andere kant van de landingsbaan, waar de rat is geplaatst. Zodra de rat eet dit cheerio, is een ander ¼ cheerio geplaatst aan de andere kant van de landingsbaan. Dit gebeurt gedurende 15-20 minuten per dag totdat de rat consistent (> 90% van de worpen) beweegt zich langs de start-en landingsbaan met een constante snelheid (dwz zonder het starten, stoppen, het verkennen van, of zonder gang) om de cheerio eten zonder galop / begrenzende . De rat mag alleen worden gebruik een draf gang. Over-conditionering van de dieren om deze taak kan leiden tot dieren galopperen en begrenzende deze gangen zijn indicatief voor dieren reizen> 90 cm / s. Begrenzen en galopperende gangen, biomechanisch, zijn moeilijker te interpreteren voor een verscheidenheid van redenen (bijvoorbeeld been leiden inclusiecriteria, etc). In onze ervaring, een keer consequent ratten dienst galopperen of omsluitend gangen, is het moeilijk, zo niet onmogelijk om ze te gebruiken een draf lopen, terwijl locomoting in de start-en landingsbaan. Snelheden> 90 cm / s worden zelden gezien na een dier lijden heeft gehad van perifere of centrale zenuwstelsel letsel. Tijd om succesvolle training te bereiken is variaBLE tussen de stammen en geslachten van ratten. Wistar, Lewis, Long-Evans, en Sprague-Dawley stammen zijn in staat om de start-en landingsbaan consequent traverse binnen 2 weken na het begin van de training 8. In onze ervaring, Fischer (F-344) ratten hebben de neiging om omhoog van 4-6 weken te nemen om deze taak acht te leren. 4. Gemeenschappelijk standpunt Markering Voorpoot kinematische analyse onbetrouwbaar is te wijten aan de huid beweging artefact opgelegd door het plaatsen van de huid markeringen op de voorpoten, die wordt versterkt in soorten, zoals ratten, dat een ineengedoken houding 9 hebben. In plaats daarvan moet kinematica van de voorpoten worden bereikt met behulp van x-ray cinematografie of fluoroscopie 10-13. Als zodanig, achterste ledematen gezamenlijk standpunt marker plaatsing is alleen hierin beschreven. Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens, moet elke rat worden verdoofd ten minste 24 uur van te voren van het verzamelen van gegevens met behulp van een geschikte inhalatie-anesthesie (bijv. isofluorane, 1,5-2% gekozen op een precisie vaporizor) en toegediend in zuurstof via een gezichtsmasker, en de belangrijkste topografische anatomische monumenten moet worden gemarkeerd. Gezien de korte duur van de procedure, en omdat langwerkende anaesthetica worden niet gebruikt, gebruik van een dier opwarming apparaat hoeft niet te worden gebruikt om het dier lichaamstemperatuur te behouden. Zodra het dier is verdoofd, de achterpoten en de dorsum, tot het niveau van de darmbeenskammen worden geschoren. Het dier wordt dan geplaatst in sternum decubitus en de achterpoten worden geplaatst in een benadering staande positie met behulp van stevige vulling schuim om het te ondersteunen. De huid bovenliggende het craniale meest delen van de iliacale toppen, is de trochanter major van het femur, de laterale tuberositas tibiae, het spronggewricht, en de distale en laterale aspect van de 5 e middenvoetsbeentje gemarkeerd met een niet-giftige permanent marker. Het dier is hersteld van anesthesie. Voor de tijdelijke studies kunnen periodieke anesthesie nodig zijn om de achterpoten zodat het toelaat latere reflecterende marker plaatsing (zie hieronder) te scheren. Ook zal dagelijks accentueren van de eerder gemarkeerde anatomische oriëntatiepunten (met behulp van dezelfde niet-toxische marker) nodig als ratten langzaam zal de markeringen te verwijderen door middel van natuurlijke verzorging gedrag. 5. Gegevensopslag Alle camera bekeken worden onderzocht om ervoor te zorgen dat hun positie is nodig en vastleggen van hetzelfde gezichtsveld. Elke camera moet worden geplaatst op ongeveer 60-80 graden ten opzichte van elkaar. Het gezichtsveld moet de forceplate in het centrum en een lengte van de baan voldoende om twee stappen vast te leggen. De kalibratie volume is geplaatst binnen de vooraf bepaalde gebied van de start-en landingsbaan. Een enkel frame van de kalibratie volume binnen de start-en landingsbaan, van elk van de camera's, wordt vastgelegd. Alle geijkte merken langs de lengte van elk van de polen zijn gedigitaliseerd. Slechts een keer een bevredigende fout in de digitalisering wordt bereikt, kan de experimentator overgaan tot het verzamelen van gegevens bewegingsapparaat. Deze kalibratie stap is essentieel voor het verzamelen van gegevens. Als de kalibratie is niet nauwkeurig uitgevoerd, of indien kalibratie niet onmiddellijk optreden voorafgaand aan een opname sessie, worden alle resulterende gegevens niet correct zijn en onbruikbaar. Belangrijk is, als een van de camera's worden aangeraakt of verplaatst, is het veiligste om te veronderstellen dat de kalibratie van het systeem moet worden herhaald. Onmiddellijk voorafgaand aan het plaatsen van het dier in de start-en landingsbaan, het gewicht is opgenomen en pre-en-klare conische reflecterende huid markers (met 3M reflecterende tape, zie tabel) zijn gehouden aan de vooraf bepaalde voelde markeringen op de achterste ledematen topografische bezienswaardigheden. De opname van de dieren zal het mogelijk retrospectieve normalisering van de grond reactie krachten om het lichaamsgewicht – een belangrijk aspect als men wil vergelijkingen tussen groepen te maken. Bovendien, het lichaamsgewicht meten vergemakkelijkt de controle van de algehele gezondheid van het dier voor de duur van het experiment. Marker plaatsing vereist enige geschikte dier omgaan en vereist geen verdoving van het dier. Als de lijm op de reflecterende tape is onvoldoende om zich te houden aan de huid van het dier, kan een zeer kleine hoeveelheid van de niet-giftige lijm (bijv. 3M VetBond Tissue lijm) gebruikt worden om hechting van de marker op het lichaam van het dier te vergemakkelijken. Zodra de markers zijn geplaatst op de achterbenen, moet de onderzoeker comfortabel worden geplaatst in de buurt van het toetsenbord van de computer en hebben in-hand het geval marker aangesloten via de Vicon Motus systeem. Met behulp van de geijkte bestand als een sjabloon, worden een aantal bestanden op voorhand van de opname. Typisch, 25 tot 30 bestanden moeten worden opgeslagen. Elk bestand moet een unieke naam. Elk bestand zal vertegenwoordigen een geregistreerde gegevens van het dier wordt opgenomen. Vijfentwintig tot dertig bestanden zijn vereist om ervoor te zorgen dat er voldoende aantallen loopt die voldoet aan de inclusie criterium snelheid (dwz 60-90 cm / s) worden verzameld. Na voldoende aantallen bestanden worden aangemaakt door de experimentator kan beginnen met het verzamelen van gegevens. Het experimenter moet prompt de rat om shuttle binnen de start-en landingsbaan door het gooien van ¼ stukken van Cheerios aan weerszijden van de landingsbaan. Met een zorgvuldige coördinatie en timing, is het evenement marker geactiveerd bij aanvang en vlak voor de afronding van de rat met succes voltooien van een pass langs de landingsbaan. Na bestudering van de ruwe grond reactiekracht opsporing, en na de opname of het links of rechts ledematen de kracht plaat geraakt, wordt het bestand opgeslagen en gesloten. Gelijke aantallen van de linker en rechter ledematen forceplate bezoeken moeten worden geregistreerd. Het proces van het opnemen van de gegevens van een bepaalde run wordt herhaald totdat voldoende aantallen runs zijn opgenomen. 6. Data Analysis Bij het voltooien van het verzamelen van gegevens voor de kinematica en de grond reactiekrachten, ieder loopt van elk dier moet worden geëvalueerd voor snelheid. Met behulp van twee relatief vaste markers (bijv. vleugels van de iliums) kan men evalueren een virtueel punt tussen de markers (voor gedaan bij het maken van een Vicon Motus bestand template). Voor de berekening van de snelheid van deze "virtuele" punt, moet markers voor de iliacale markers worden gedigitaliseerd. Met behulp van Vicon motu software, de snelheid van deze virtuele punt in de X-richting (horizontale richting van de beweging) wordt berekend. Daarbij, alleen draait binnen een bepaald bereik snelheden (bepaald a priori) worden gebruikt in de uiteindelijke analyses. We vinden dat dieren die tussen de 60-90 cm / s zijn in overeenstemming draf gangen gebruikt. Een minimum van 10 runs (5 runs waar de linker ledematen contact maakt met de kracht platform en 5 loopt waar de juiste ledematen contact maakt met de kracht platform) zijn vereist. Zodra de aanvaardbare loopt zijn geïdentificeerd voor elk dier, moet digitalisering van de resterende huid markers worden ingevuld. Om te compenseren voor de huid bewegen artefact over de knie, een raming van de knie positie wordt berekend op basis van triangulatie (snijpunt van twee cirkels 2D kinematica, of kruising tussen de twee bollen 3D-kinematica), zoals eerder beschreven. Heup, knie en spronggewricht hoeken, snelheden en versnellingen kan nu worden bepaald. Houding en swing tijden kunnen ook geëvalueerd worden, maar de nauwkeurigheid is beperkt gebaseerd op de bemonstering snelheid van de camera's wordt gebruikt. Deze en andere berekeningen kunnen direct worden uitgevoerd (dat wil zeggen zonder export) met behulp van Vicon Motus KineCalc software of gegevens kunnen geëxporteerd worden als ASCII-gegevens en geanalyseerd met behulp van aanpasbare routines in de software, zoals MatLab. De grond reactie kracht data wordt gemeten en versterkt door de Amti kracht platform en verzameld bij 1200 Hz door Vicon Motus. Als zodanig, zodra de grond reactie kracht gegevens worden verzameld, een geschikte digitale filter wordt toegepast op de gegevens met behulp van Vicon Motus. Gezien het feit dat de experimentator al heeft de snelheid van de reis-en geïdentificeerd acceptabele series vastgesteld na digitalisering juiste huid markers, de grond reactiekracht gegevens die tegelijkertijd werd verzameld als de kinematische gegevens kunnen worden geanalyseerd met behulp van Vicon Motus KineCalc direct of indirect gebruik van sommige andere aanpasbare software routine. Een verscheidenheid van variabelen voor krachten, in elk van de drie orthogonale richtingen, kan worden berekend. Dergelijke variabelen zijn piek van kracht, het gebied und de curve (dwz impuls), etc. Het is echter belangrijk, de experimentator moet links en rechts ledematen gegevens gedurende elke run van elk dier afzonderlijk. Gegevens uit rechts of links ledematen is gemiddeld voor elk dier en gebruikt als representatieve gegevens voor dat dier. Gegevens worden vervolgens geanalyseerd met behulp van passende statistische procedures. 7. Representatieve resultaten Het behartigen van de nut van deze vorm van motorische analyse werden kinematica en de grond reactiekrachten bepaald voor jonge, middelbare leeftijd, en geriatrische vrouwelijke Wistar ratten. Uit deze analyse werden leeftijd-gerelateerde verschillen gevonden voor vrouwelijke Wistar ratten. In het bijzonder, de grond reactie kracht analyse toont aan dat geriatrische ratten hebben voorpoot remvermogen verminderd en hebben de neiging om hun achterpoten meer te gebruiken voor laterale stabilisatie in vergelijking met de andere groepen van dieren (figuur 1). Kinematische analyse bracht geen statistische verschillen tussen elke groep, maar toont aan dat kinematica gemakkelijk kan worden opgenomen van vrijwel elke leeftijd van de rat (figuur 2). Figuur 1 Ground reaction force traceren genomen van de linker ledematen van jongeren. (4 maand oud, n = 7), van middelbare leeftijd (13-14 maanden oud is, n = 7), en geriatrische (24 maanden oud; n = 5) vrouwelijke Wistar ratten. Rechts ledematen waren vergelijkbaar. Het is snel duidelijk dat de geriatrische ratten hun voorpoten gebruiken minder voor het remmen (* = p <0,05) ten opzichte van jonge en middelbare leeftijd ratten, en geriatrische ratten hebben de neiging hun achterpoten meer te gebruiken voor laterale stabilisatie in vergelijking met jonge ratten (**). Volle lijnen stellen bedoel, streeplijnen de gemiddelde + SE; stippellijnlijnen zijn gemiddelden SE. U kunt hier klikken voor een grotere afbeelding te zien. Figuur 2. Kinematisch stick figures voor de linker ledematen van jonge, middelbare leeftijd, en geriatrische ratten. Stok cijfers geven het gemiddelde beweging van de linker ledematen voor elk van de groepen. Er waren geen significante verschillen tussen de groepen van dieren voor de gezamenlijke hoek tijdens de stap cyclus. U kunt hier klikken voor een grotere afbeelding te zien.